基于NOMA的双向夹持天线中继系统：采用定向波束成形（DF）还是自适应波束成形（AF）技术？

《Physical Communication》：NOMA-Based Two-Way Pinching Antenna Relaying Systems: DF or AF Approach?

　　

摘要

本研究探讨了一种集成夹持天线的双向中继系统，该系统采用非正交多址接入（NOMA）技术。两个可移动的夹持天线部署在介电波导上，能够实现灵活的辐射点定位，从而支持双向通信。与传统的中继架构不同，将夹持天线集成到中继系统中（即夹持天线中继，PAR）可以有效减轻大规模路径损耗，并通过空间重构增强视距（LoS）连接。在这一框架下，分别考虑了放大转发（AF）和解码转发（DF）的PAR协议，系统地分析了它们所能实现的总速率。特别是，在低信噪比（SNR）和高SNR条件下，对其闭合形式表达式进行了研究。通过这种分析表明，在低SNR时，DF比AF表现更好，因为它避免了噪声放大；而在高SNR时，AF由于其更优的速率缩放特性而具有优势。此外，在优化了夹持天线的位置后，DF在25 dB时的速率约为2.095 bps/Hz，而AF为1.782 bps/Hz；在35 dB时，DF的速率为4.442 bps/Hz，而AF为3.701 bps/Hz。仿真结果验证了理论分析，并为双向NOMA-PAR系统的设计提供了见解。

引言

物联网（IoT）应用的持续扩展，对能够支持大规模连接性同时保持高灵活性、可扩展性和能效的无线通信系统的需求日益增长[1]。现代IoT场景，包括智能制造、联网交通、数字医疗和沉浸式智能服务，需要能够适应各种网络条件并在严格的延迟和能源限制下确保大量分布式设备可靠数据传输的通信基础设施[2]，[3]。然而，连接设备的数量增加以及高频谱的使用加剧了频谱拥塞、干扰和严重的传播损耗等挑战[4]。为此，灵活的天线技术作为一种有前景的方法出现，通过自适应信道重构来提高无线性能。通过根据环境条件调整天线位置或结构，这些系统可以有效提升链接质量、扩展网络覆盖范围并提高频谱效率。

夹持天线系统（PASS）是一种新兴的灵活天线技术，它通过在介电波导上部署低成本的介电颗粒来实现信号辐射[5]，[6]，[7]，[8]。与传统的灵活天线系统（如流体天线[9]，[10]和可移动天线[11]，[12]）不同，这些天线的移动通常受到波长范围的限制，因此对大规模路径损耗的影响有限，而PASS可以通过简单地附着或移除介电颗粒来实现波导上任意位置的天线激活。这种独特的架构允许超出波长范围的灵活部署，从而有助于建立强大的LoS链接和更有效的信道重构。此外，与传统的天线系统和其他可重构技术（如可重构智能表面（RISs）[13]，[14]和流体天线相比，PASS具有几个显著优势，包括通过简单的颗粒插入或移除实现低成本的可扩展性、易于安装和维护，以及与多天线阵列设计的兼容性，以增强阵列增益。这些特性使得PASS特别适用于对成本敏感且动态变化较大的部署场景，如IoT网络和密集城市通信[15]。

在[16]中，作者研究了一种非正交多址接入（NOMA）辅助的PASS，并提出了一种低复杂度的天线激活策略来优化主动夹持天线的位置。在[17]中，研究了NOMA下行链路的功率分配和连续夹持天线定位的联合优化，通过基于分解的算法实现了接近最优的总速率性能。在[18]中，将部分NOMA引入PASS，并分析了不同信号重叠比下夹持天线位置的影响，显示出比传统正交多址接入（OMA）和NOMA方案更好的性能。

显然，大多数现有的关于PASS的研究主要集中在基站（BS）侧使用夹持天线[19]，[20]，[21]。据我们所知，很少有研究明确考虑了夹持天线在中继和/或其他节点中的应用。具体来说，[22]研究了在毫米波遮挡条件下的基于中继的夹持天线系统，主要目的是比较夹持天线和RIS方案的性能。尽管对于中继系统，放大转发（AF）和解码转发（DF）协议之间的性能比较已经得到了广泛研究，但对于PASS来说，这一领域仍然很大程度上尚未探索。

尽管在传统中继系统中已经广泛研究了AF和DF协议之间的性能比较，但大多数现有分析都假设中继信道是固定的。这样的结论不能直接描述夹持天线引入的额外空间自由度，因为夹持天线的辐射点可以沿波导灵活调整，从而改变有效的中继信道。同时，现有的PASS研究主要集中在发射端夹持天线的部署上，而中继端的部署及其与转发协议选择的相互作用仍然相对较少被探索。因此，一个重要的问题不仅仅是AF或DF哪一个能提供更高的可实现速率，而是可移动夹持天线的部署、操作SNR和功率分配如何共同影响它们的相对性能。受此问题的启发，本研究探讨了一种基于NOMA的双向PAR系统，并描述了可实现速率、协议依赖的功率分配以及AF和DF方案的空间部署行为。主要贡献总结如下。

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通过将夹持天线集成到双向中继系统中，构建了一个基于NOMA的PAR框架。与仅将夹持天线布置在发射端的传统PASS研究不同，所提出的架构将其安装在中继节点上。共享的波导馈电结构和可调的辐射点位置被用来实现双向数据传输。该架构充分利用了夹持天线的固有特性：安装在单个介电波导上的多个辐射元件共享相同的馈电信号，这完美符合NOMA的传输机制。

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为基于NOMA的PAR系统中的AF和DF中继协议建立了通用的分析框架。推导出了两种中继方案的可实现总速率的闭合形式表达式。在低和高信噪比条件下的渐近评估揭示了一个重要的性能权衡。在没有噪声放大的情况下，DF在低SNR区域表现出更好的性能，而在高SNR时，AF由于其更优的速率缩放特性而获得更高的吞吐量。

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全面探讨了夹持天线布局对双向中继系统性能的影响。仿真结果表明，最佳辐射点并不与相应的用户终端完全对齐。由于波导引导的波传播和自由空间无线传播之间的相位叠加效应，会出现微小的位置偏移。这一发现为实际PAR系统的设计提供了实用指导。

章节片段

系统模型

如图1所示，我们考虑了一个单波导的双向PAR系统。波导沿轴平行排列，距离原点的高度为d，并连接到一个单射频（RF）链中继。提出的场景涉及两个单天线用户，用U_m表示，其中m∈{1, 2}。用户在边长为D的正方形区域内随机分布，U_m的位置由以下公式表示：。假设夹持天线可以被移动/激活到

性能分析

在本节中，我们分析了基于NOMA的双向PAR在AF和DF协议下的总速率。

数值结果

在本节中，我们提供了数值结果来展示所提出方案的性能。为了说明目的，噪声功率设置为$?90\text{dBm}$，d=3m，fc=28GHz，n=1.4，以及ρ_2 < ρ_R,1。x_1和x_2的原始水平坐标分别设置为?15m和6 m。

图2显示了在三种部署场景下，基于NOMA的双向PAR系统在AF和DF协议下的总速率性能，其中D = (10, 20, 30) m。总速率有所增加

结论

本研究探讨了一种基于NOMA的双向PAR系统，使用了AF和DF协议。推导出了闭合形式的总速率表达式以及在低/高SNR条件下的渐近行为。此外，还研究了夹持天线定位对总速率的影响，仿真结果表明适当的天线布置可以显著提升系统性能。这些结果也验证了理论发现，为协议选择提供了关键的设计见解。

CRediT作者贡献声明

叶佳颖：撰写——原始草稿。段伟：撰写——审阅与编辑。曹娟：形式分析。张国安：软件支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

伦理声明

作者声明本研究不涉及人类或动物实验。

叶佳颖|段伟|曹娟|张国安